抗生素土壤污染及其修復(fù)探討

江大可

（蕉嶺縣環(huán)境保護監(jiān)測站 廣東梅州 514100）

1 環(huán)境中的抗生素

1.1 抗生素的存在現(xiàn)狀

抗生素指的是由微生物產(chǎn)生或者是化學(xué)合成的具有抗病原體或其它生物活性的一類物質(zhì)，主要有四環(huán)素類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、氯霉素類等。而環(huán)丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）是人工合成使用最為廣泛的喹諾酮類抗生素，是恩諾沙星的代謝產(chǎn)物，對革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌都具有廣譜抗菌性。它通過抑制DNA旋轉(zhuǎn)酶和拓撲異構(gòu)酶來阻止細胞分裂，已被證明具有基因毒性。

抗生素廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、畜牧養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。據(jù)估計全球每年使用的抗生素達100000到200000噸，而中國每年的使用量超過22000噸，其中超過70%是以藥物原形隨糞尿排出而進入污水處理系統(tǒng)或直接進入環(huán)境。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，糞便常被用作肥料，糞便中的抗生素會滲出進入土壤及底下水，極大地威脅到農(nóng)產(chǎn)品的安全，如珠三角地區(qū)農(nóng)場土壤及蔬菜被普遍檢出抗生素，含量高達1537.4 μg·kg-1，而每份土壤及蔬菜樣品中環(huán)丙沙星都被檢出，濃度范圍為 5.3-119.8μg·kg-1，這些農(nóng)場都普遍使用糞肥[1,2]，由此可見糞肥的使用是導(dǎo)致農(nóng)場被抗生素污染的重要原因之一。在水環(huán)境系統(tǒng)的試驗中，大多數(shù)化合物都是持久性的，只有少數(shù)才是可生物降解的。有基因毒性的化合物如喹諾酮類和甲硝唑類并不能夠被去除，喹諾酮類抗生素會強烈吸附到污泥、土壤和沉積物當(dāng)中而不被生物降解。此外，由于污水處理系統(tǒng)對抗生素的去除率低于50%，污水廠出水中仍然含有高濃度的抗生素，這些抗生素未能在污水處理過程或環(huán)境中降解或消除，它們將進入到地表水或地下水甚至是飲用水中，直接威脅到人身安全。由此可見，施用糞肥和廢水排放是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤污染的主要途徑。

圖1 環(huán)境中抗生素的來源及其在環(huán)境中的可能的轉(zhuǎn)移途徑[3]

1.2 環(huán)境中抗生素的危害及遷移

近年來，環(huán)境中不斷被發(fā)現(xiàn)的抗生素引起了人們的極大關(guān)注，一方面是由于它潛在的生態(tài)風(fēng)險如對環(huán)境中微生物參與的關(guān)鍵進程具有潛在的負面影響，如養(yǎng)分的再生、碳氮循環(huán)以及污染物的降解等過程。抗生素可通過各種途徑進入環(huán)境中，但我們對其環(huán)境行為及對生態(tài)系統(tǒng)的影響卻了解甚少。土壤中環(huán)丙沙星并不易被生物降解和礦化作用，而通常是通過陽離子交換作用強烈的吸附于土壤?？股胤簽E帶來并傳播著抗性作用及抗性基因，環(huán)境中的這些抗性基因在特定的條件下通過遺傳機制能在微生物間進行水平轉(zhuǎn)移和放大，進而可能轉(zhuǎn)移至人類病原細菌，給人類和動物健康帶來災(zāi)難性的后果。另一方面，抗生素對人類健康的威脅，抗生素可在動植物食品(肉、奶、蛋、蜂蜜等)中殘留污染，嚴(yán)重危害人體健康，包括“三致”(致癌、致畸、致突變)作用、生殖與發(fā)育毒害、神經(jīng)毒害、過敏反應(yīng)、免疫力降低、耐藥性等。對孕婦和胎兒危害尤其嚴(yán)重，如四環(huán)素、鏈霉素、磺胺類等可造成胎兒畸形、器官功能異常和溶血性貧血等。因此，抗生素已成為新型重要環(huán)境有機污染物和近年來環(huán)境科學(xué)研究的國際前沿課題。

2 植物修復(fù)污染物概況

2.1 土壤污染現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟工業(yè)全球化的不斷發(fā)展，人為向土壤環(huán)境中排放的污染物急劇增加，如固體廢棄物的堆放傾倒，各類廢水向土壤排放滲透，機動車尾氣和大氣中有毒有害物質(zhì)的沉降等等，較普遍的污染物有石油烴（PHC）、多環(huán)芳烴（PAHs）、鹵代烴、殺蟲劑、溶劑、金屬等，近年研究較熱的有抗生素、礦山藥劑、藻毒素等都是新型的土壤污染物，由此帶來的對人類和生態(tài)環(huán)境的危害都有據(jù)可查。土壤是眾多動植物賴以生存繁衍的基礎(chǔ)物質(zhì)，當(dāng)污染物源源不斷進入到土壤中超過土壤本身的自凈能力或超過土壤的基準(zhǔn)值時，就會給生態(tài)環(huán)境帶來威脅。工業(yè)的快速發(fā)展使得世界各國都面臨著不同程度的土壤污染，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，作為人類糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土壤健康狀況會影響到農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，通過糧食、蔬菜、水果等間接影響人體健康，故土壤的健康狀況與人類健康息息相關(guān)[4]，在一次對珠三角主要農(nóng)場的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，抗生素污染普遍存在農(nóng)場中的土壤和蔬菜，其來源和所施用的糞肥密切相關(guān)，可怕的是我們尚不清楚吃進這些受污染的蔬菜會有何種危害[1]。各種化學(xué)肥料及農(nóng)藥的大量使用使得農(nóng)業(yè)用地的狀況堪憂，與此同時，各種工業(yè)污染物如重金屬、抗生素、礦山藥劑通過各種途徑進入到農(nóng)業(yè)用地，農(nóng)業(yè)用地污染日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有1億耕地hm2，其中受到重金屬污染的土地達2000萬hm2，受農(nóng)業(yè)和化學(xué)試劑污染的農(nóng)田達到6000多萬hm2，污染程度達到世界之最[5]，污染土壤特別是農(nóng)業(yè)用地的修復(fù)已經(jīng)到了“不得不為”的地步。

2.2 植物修復(fù)機理

植物修復(fù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ)利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染治理技術(shù)[6]。雖然直至上世紀(jì)五十年代植物修復(fù)才嘗試用于放射性土壤的修復(fù)，但在八十年代后得到了飛速發(fā)展。植物修復(fù)現(xiàn)在被視為一種有前途的戰(zhàn)略修復(fù)技術(shù)。針對不同的污染物，植物去除的方式不太一樣，就有機污染物來講，主要有三種去除方式，一是植物直接吸收代謝污染物，體內(nèi)的污染物要么通過蒸騰作用揮發(fā)到大氣中，要么在植物生長代謝活動中被分解；二是通過植物根或莖本身所分泌的酶等分泌物降解污染物；三是根際對有機污染物的降解，即根際修復(fù)。植物修復(fù)和根際修復(fù)有著其它技術(shù)方法所沒有的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)的土壤修復(fù)方法如焚燒、挖掘、淋洗等方法，植物修復(fù)有著費用低廉，操作簡單的顯著優(yōu)勢，同時通過植物的種植，不斷向土壤中傳輸有機物和氮氧，有效改善土壤質(zhì)地，維持生態(tài)平衡。當(dāng)然，植物修復(fù)或者是根際修復(fù)它的劣勢就是見效慢，還有就是可能會由于植物生長條件的限制而不能達到修復(fù)的目的，如生長氣候、污染土壤的深度等等。目前，通過基因工程來改良植物的方法已經(jīng)在實驗室普遍展開，雖然已經(jīng)獲得了一些非常有前景的成果，但是限于一些管理制度還不能被現(xiàn)場應(yīng)用。這是因為經(jīng)過基因改造的植物存在著生態(tài)危險，如基因的轉(zhuǎn)移、抗性基因的產(chǎn)生等等。所以，植物修復(fù)的一大研究方向是不斷的減小和消除植物修復(fù)的限制條件。

微生物輔助的根際修復(fù)是一種最為有效的從土壤中去除或降解有機污染物的方法。我們知道，根際是植物根和土壤及微生物相互接觸最為活躍的區(qū)域，植物和微生物的相互作用可以促使植物通過釋放螯合劑、酸性物質(zhì)、溶解磷及氧化還原劑來增強污染物的遷移率和生物有效性。植物根際和根際微生物所產(chǎn)生的根基分泌物包含一系列物質(zhì)如糖類、氨基酸、鐵載體和酶，同時也會有一些化學(xué)性質(zhì)類似于污染物的物質(zhì)產(chǎn)生，這些物質(zhì)通過非特定的污染物類似行為會增強根際修復(fù)。這些根際分泌物并不是一成不變的，他們會隨著植物的種類以及它的生長階段而不斷變化，除此之外，植物也會因為某種化學(xué)刺激而改變根際分泌物的成分和量?？傊?，植物根際分泌物的變化都會同時引起根際微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)的變化，進而植物吸收累積和降解污染物的狀況也會發(fā)生變化。有研究表明，植物根際微生物的數(shù)量比非根際區(qū)高十幾倍至幾百倍，其代謝活動也高許多，這也許就是污染物根際修復(fù)效率高的原因之一。通過強化根定植微生物來增強有機污染物的降解是根際修復(fù)的常見手段，因為在根際修復(fù)過程中根定植微生物起著主要的作用，然而植物和微生物復(fù)雜的相互作用至今也沒有被很好的理解。

3 土壤抗生素污染植物修復(fù)研究展望

抗生素進入土壤后，能直接殺死土壤環(huán)境中某些微生物或抑制其生長，尤其是對細菌的作用最為顯著。殘留的抗生素可以影響微生物群落的組成，糞便和土壤中有機質(zhì)的腐爛和分解，土壤肥力，并同時降低土壤微生物對其他污染物的固定或降解能力。抗生素對微生物產(chǎn)生各種毒性效應(yīng)，影響微生物活性和群落功能多樣性。因此抗生素會對“根際微生物—植物—土壤”整個微生態(tài)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。如何修復(fù)污染土壤環(huán)境和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，有效評估抗生素環(huán)境風(fēng)險，篩選出對抗生素有抗性或能吸收的植物和根際微生物，是污染土壤植物修復(fù)的必經(jīng)之路，對人類土壤環(huán)境安全與健康有著重大意義。

結(jié)語

抗生素作為近年來才受重視的土壤新型污染物，其在土壤中帶來的危害已在上文提到，雖然我們對它了解甚少，但無論如何，查明抗生素污染土壤中植物根際微生物的組成將是研究土壤植物修復(fù)的首要步驟。